stringtranslate.com

Устойчивость к засухе

В ботанике засухоустойчивость — это способность растения поддерживать производство биомассы в засушливых или засушливых условиях. [1] [2] [3] Некоторые растения естественным образом адаптируются к засушливым условиям , выживая благодаря защитным механизмам, таким как толерантность к высыханию , детоксикация или устранение эмболии ксилемы . [3] Другие растения, особенно такие культуры, как кукуруза , пшеница и рис , стали более устойчивыми к засухе благодаря новым сортам, созданным с помощью генной инженерии . [4] С эволюционной точки зрения тип микоризных ассоциаций, образующихся в корнях растений, может определять, насколько быстро растения смогут адаптироваться к засухе.

Растения, ответственные за засухоустойчивость, сложны и включают в себя множество путей, которые позволяют растениям реагировать на определенные условия в любой момент времени. Некоторые из этих взаимодействий включают устьичную проводимость , деградацию каротиноидов и накопление антоцианов , вмешательство осмопротекторов (таких как сахароза , глицин и пролин ), ферментов, улавливающих АФК . [5] [6] [7] [8] Молекулярный контроль засухоустойчивости также очень сложен и зависит от других факторов, таких как окружающая среда и стадия развития растения. [2] Этот контроль состоит в основном из транскрипционных факторов , таких как белок, связывающий элементы, чувствительный к дегидратации (DREB), фактор, связывающий элементы, чувствительный к абсцизовой кислоте (ABA) (AREB), и NAM (без апикальной меристемы). [9] [10]

Физиология засухоустойчивости

Растения могут подвергаться медленно развивающейся нехватке воды (т. е. на это уходят дни, недели или месяцы) или могут сталкиваться с кратковременным дефицитом воды (т. е. от нескольких часов до дней). В таких ситуациях растения адаптируются, реагируя соответствующим образом, минимизируя потери воды и максимизируя ее поглощение. [2] Растения более восприимчивы к стрессу от засухи на репродуктивных стадиях роста, цветения и развития семян . Таким образом, сочетание краткосрочных и долгосрочных реакций позволяет растениям производить несколько жизнеспособных семян. [3] Некоторые примеры краткосрочных и долгосрочных физиологических реакций включают:

Краткосрочные ответы

Долгосрочные ответы

Сеть регулирования устойчивости к засухе

Абиотические стрессы (например, засуха) индуцируют экспрессию следующих факторов транскрипции. Они связываются с цис-элементами, что приводит к изменению стрессовой реакции и толерантности.

В ответ на условия засухи происходит изменение экспрессии генов, индуцированное или активируемое транскрипционными факторами (ТФ). Эти ТФ связываются со специфическими цис-элементами, индуцируя экспрессию целевых генов, индуцируемых стрессом, позволяя транскрибировать продукты, которые помогают при стрессовой реакции и толерантности. [9] Некоторые из них включают белок, связывающий элементы, реагирующие на обезвоживание (DREB), фактор связывания элементов, реагирующий на АБК (AREB), отсутствие апикальной меристемы (NAM), фактор активации транскрипции Arabidopsis (ATAF) и чашевидные семядоли ( ЦУК). Большая часть молекулярной работы для понимания регуляции устойчивости к засухе была проделана на арабидопсисе , что помогло объяснить основные процессы, описанные ниже. [2]

ДРЕБ ТФ

ТФ DREB1/CBF

DREB1A, DREB 1B и DREB 1C представляют собой специфичные для растений ТФ, которые связываются с элементами, чувствительными к засухе (DRE) в промоторах, чувствительных к засухе, высокой засоленности и низкой температуре у арабидопсиса. [9] Сверхэкспрессия этих генов повышает устойчивость к засухе, высокой солености и низкой температуре у трансгенных линий арабидопсиса , риса и табака. [9]

DEAR1/DREB и белок 1 мотива EAR

DEAR1 («белок 1 мотива DREB и EAR») представляет собой ТФ с совершенно другой целью, не имеющей ничего общего со стрессом, вызванным засухой. Цуцуи и др. (2009) обнаружили, что Arabidopsis DEAR1 (At3g50260) реагирует на инфекцию патогена , хитина и олигомеров хитина. [12]

DREB2 ТФ

Белки DREB участвуют в различных функциях, связанных с устойчивостью к засухе. Например, белки DREB, включая DREB2A, взаимодействуют с белками AREB/ABF при экспрессии генов, особенно гена DREB2A, в условиях осмотического стресса. [9] DREB2 также индуцирует экспрессию генов, связанных с жарой, таких как белок теплового шока. Сверхэкспрессия DREB2Aca повышает уровень устойчивости арабидопсиса к засухе и тепловому стрессу . [9]

ЦГ AREB/ABF

AREB/ABF представляют собой ABA-чувствительные ТФ типа bZIP , которые связываются с ABA-чувствительными элементами (ABRE) в стресс-чувствительных промоторах и активируют экспрессию генов. [3] AREB1, AREB2, ABF3 и ABF1 играют важную роль в передаче сигналов АБК на вегетативной стадии, поскольку АБК контролирует экспрессию генов, связанных с реакцией на засуху и устойчивостью. Нативная форма AREB1 не может воздействовать на гены стресса, вызываемые засухой, такие как RD29B у арабидопсиса , поэтому для активации транскрипции необходима модификация. [9] AREB/ABF положительно регулируются SnRK2 , контролируя активность целевых белков посредством фосфорилирования. Эта регуляция также участвует в контроле засухоустойчивости на вегетативной стадии, а также созревания и прорастания семян. [9]

Другие ТФ

ТФ, такие как NAC (состоящий из NAM, ATAF и CUC), также связаны с реакцией на засуху арабидопсиса и риса. [9] Чрезмерная экспрессия вышеупомянутых растений повышает устойчивость к стрессу и засухе. Они также могут быть связаны с ростом и старением корней — двумя физиологическими признаками, связанными с устойчивостью к засухе. [9]

Адаптация к естественной засухе

Мальва алая шаровидная ( Sphaeralcea coccinea ) — засухоустойчивое растение с естественной засухоустойчивостью. Некоторые из его естественных адаптаций включают серебристо-серые волосы, защищающие от высыхания; глубокая корневая система; и наличие семян, которые прорастают только при благоприятных условиях.

Растения в естественно засушливых условиях сохраняют большое количество биомассы благодаря засухоустойчивости и могут быть разделены на 4 категории адаптации: [13]

  1. Растения, избегающие засухи: однолетние растения, которые прорастают и растут только в периоды достаточной влажности для завершения своего жизненного цикла.
  2. Растения, избегающие засухи: несуккулентные многолетние растения , которые ограничивают свой рост только периодами доступности влаги.
  3. Засухоустойчивые растения: эти вечнозеленые кустарники, также известные как ксерофиты , имеют обширную корневую систему, а также морфологические и физиологические приспособления, которые позволяют им поддерживать рост даже во времена экстремальной засухи.
  4. Засухоустойчивые растения: также известные как суккулентные многолетники, в их листьях и стеблях хранится вода для экономного использования.

Структурные адаптации

Многие приспособления для засушливых условий являются структурными, в том числе следующие: [14]

Значение для сельского хозяйства

Эстафета – соя с повышенной засухоустойчивостью, разработанная Институтом растениеводства Украины. [15]

В связи с увеличением частоты и силы засух в последние годы ущерб, нанесенный сельскохозяйственным культурам, стал более серьезным, что привело к снижению урожайности, роста и производства сельскохозяйственных культур. [4] [16] Однако исследования молекулярных путей, связанных с устойчивостью к стрессу, показали, что сверхэкспрессия таких генов может повысить устойчивость к засухе, что привело к проектам, направленным на разработку трансгенных сортов сельскохозяйственных культур. [2]

Засухоустойчивые растения, выведенные с помощью биотехнологий, позволяют фермерам защитить свой урожай и сократить потери во время сильной засухи за счет более эффективного использования воды. [ нужна цитата ]

Сотрудничество по повышению засухоустойчивости сортов сельскохозяйственных культур

Были внедрены международные исследовательские проекты по повышению устойчивости к засухе, такие как Консультативная группа по международным сельскохозяйственным исследованиям ( CGIAR ). [17] Один из таких проектов CGIAR включает введение таких генов, как DREB1, в низинный рис, горный рис и пшеницу для оценки засухоустойчивости полей. Целью этого проекта является выбор как минимум 10 линий для сельскохозяйственного использования. [9] Другой аналогичный проект в сотрудничестве с CGIAR, Embrapa , RIKEN и Токийским университетом внедрил гены стрессоустойчивости AREB и DREB в соевые бобы, обнаружив несколько трансгенных линий сои с засухоустойчивостью. Оба проекта позволили повысить урожайность зерна и будут использованы для разработки будущих сортов, которые можно будет использовать в коммерческих целях. [9]

Другие примеры сотрудничества по повышению засухоустойчивости сортов сельскохозяйственных культур включают Международный центр сельскохозяйственных исследований в засушливых районах (ИКАРДА) в Алеппо , Сирия ; Международный научно-исследовательский институт сельскохозяйственных культур полузасушливых тропиков (ИКРИСАТ) в Андхра-Прадеше , Индия ; Международный научно-исследовательский институт риса (IRRI) в Лос-Баньосе , Филиппины .; [1] и Консорциум по улучшению пшеницы при жаре и засухе (HeDWIC), [18] сеть, которая способствует глобальной координации исследований пшеницы для адаптации к будущему с более суровыми экстремальными погодными условиями.

Препятствия на пути коммерциализации засухоустойчивых растений в сельском хозяйстве

Разработка генетически модифицированных сельскохозяйственных культур включает в себя многочисленные патенты на гены и промоторы, такие как гены-маркеры в векторе , а также методы трансформации. Таким образом, исследования свободы действий (FTO) должны проводиться совместно с целью выращивания засухоустойчивых культур. [9] Большие суммы денег также необходимы для развития генетически модифицированных групп. По оценкам, вывод нового генетически модифицированного урожая на коммерческий рынок обойдется в 136 миллионов долларов США в течение 13 лет. [9] Это создает проблему для развития, поскольку лишь небольшое количество компаний могут позволить себе выращивать засухоустойчивые культуры, а исследовательским учреждениям трудно поддерживать финансирование на этот период времени. [9] Таким образом, для поддержки проектов такого размера необходима многонациональная структура с более тесным сотрудничеством между многочисленными учениками.

Значение в садоводстве

Трансформация растений использовалась для создания множества сортов засухоустойчивых сельскохозяйственных культур, но лишь ограниченных сортов декоративных растений . [16] Такое значительное отставание в развитии связано с тем, что больше трансгенных декоративных растений выводится по другим причинам, а не по толерантности к засухе. [16] Тем не менее, компания Ornamental Biosciences исследует устойчивость к абиотическому стрессу у декоративных растений. Трансгенные петунии, пуансеттии , новогвинейские недотроги и герани оцениваются на устойчивость к морозу, засухе и болезням. [19] Это позволит расширить диапазон сред, в которых эти растения могут расти.

Засухоустойчивые растения

Это список избранных семейств , видов и/или родов растений, устойчивых к засухе:

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Ашраф, М. (январь 2010 г.). «Повышение устойчивости растений к засухе: последние достижения». Достижения биотехнологии . 28 (1): 169–183. doi :10.1016/j.biotechadv.2009.11.005. ISSN  1873–1899. ПМИД  19914371.
  2. ^ abcde «Биотехнология для выращивания засухоустойчивых культур - Pocket K | ISAAA.org». www.isaaa.org . Проверено 29 ноября 2018 г.
  3. ^ abcd Тардье, Франсуа; Симонно, Тьерри; Мюллер, Бертран (29 апреля 2018 г.). «Физиологические основы засухоустойчивости сельскохозяйственных растений: сценарно-зависимый вероятностный подход». Ежегодный обзор биологии растений . 69 (1): 733–759. doi : 10.1146/annurev-arplant-042817-040218 . ISSN  1543-5008. ПМИД  29553801.
  4. ^ Аб Ху, Хунхун; Сюн, Личжун (29 апреля 2014 г.). «Генная инженерия и селекция засухоустойчивых культур». Ежегодный обзор биологии растений . 65 (1): 715–741. doi : 10.1146/annurev-arplant-050213-040000. ISSN  1543-5008. ПМИД  24313844.
  5. ^ Ахмад, Узаир; Альвино, Артуро; Марино, Стефано (17 октября 2021 г.). «Обзор оценки водного стресса сельскохозяйственных культур с использованием дистанционного зондирования». Дистанционное зондирование . 13 (20): 4155. Бибкод : 2021RemS...13.4155A. дои : 10.3390/rs13204155 . ISSN  2072-4292.
  6. ^ Варшни, Раджив К; Тубероза, Роберто; Тардье, Франсуа (08.06.2018). «Прогресс в понимании устойчивости к засухе: от аллелей к системам земледелия». Журнал экспериментальной ботаники . 69 (13): 3175–3179. дои : 10.1093/jxb/ery187. ISSN  0022-0957. ПМК 5991209 . ПМИД  29878257. 
  7. ^ Шреста, Асис; Фендель, Александр; Нгуен, Туи Х.; Адебабай, Антене; Куллик, Анника Стина; Бенндорф, Ян; Леон, Йенс; Наз, Али А. (03 октября 2022 г.). «Природное разнообразие раскрывает регуляцию P5CS1 и ее роль в устойчивости к засухе и устойчивости урожайности ячменя». Растение, клетка и окружающая среда . 45 (12): 3523–3536. дои : 10.1111/шт.14445 . ISSN  0140-7791. PMID  36130879. S2CID  252438394.
  8. ^ Музаммил, Шумайла; Шреста, Асис; Дадшани, Саид; Пиллен, Клаус; Сиддик, Шахид; Леон, Йенс; Наз, Али Ахмад (октябрь 2018 г.). «Наследственный аллель пирролин-5-карбоксилатсинтазы1 способствует накоплению пролина и адаптации к засухе у культивируемого ячменя». Физиология растений . 178 (2): 771–782. дои : 10.1104/стр.18.00169. ISSN  0032-0889. ПМК 6181029 . ПМИД  30131422. 
  9. ^ abcdefghijklmno НАКАСИМА, Кадзуо; СУЭНАГА, Казухиро (2017). «На пути к генетическому улучшению засухоустойчивости сельскохозяйственных культур». Ежеквартальный журнал сельскохозяйственных исследований Японии . 51 (1): 1–10. дои : 10.6090/jarq.51.1 . ISSN  0021-3551.
  10. ^ Шреста, Асис; Каджо, Дэниел Кингсли; Камруззаман, Мохаммед; Сиддик, Шахид; Фиорани, Фабио; Леон, Йенс; Наз, Али Ахмад (июнь 2021 г.). «Факторы транскрипции, связывающие элементы, чувствительные к абсцизовой кислоте, способствуют синтезу пролина и адаптации к стрессу у арабидопсиса». Журнал физиологии растений . 261 : 153414. doi : 10.1016/j.jplph.2021.153414. PMID  33895677. S2CID  233397785.
  11. ^ аб Чавес, Мануэла М.; Марокко, Жоао П.; Перейра, Жоау С. (2003). «Понимание реакции растений на засуху — от генов до всего растения». Функциональная биология растений . 30 (3): 239–264. дои : 10.1071/FP02076. ПМИД  32689007.
  12. ^ ВанВаллендаль, Acer; Солтани, Али; Эмери, Натан С.; Пейшото, Мурило М.; Олсен, Джейсон; Лоури, Дэвид Б. (29 апреля 2019 г.). «Молекулярный взгляд на местную адаптацию растений: включение сетей реагирования на стресс». Ежегодный обзор биологии растений . Ежегодные обзоры . 70 (1): 559–583. doi : 10.1146/annurev-arplant-050718-100114 . ISSN  1543-5008. OSTI  1593759. PMID  30786237. S2CID  73507185.
  13. ^ «Адаптация растений к засушливой среде». Landau.faculty.unlv.edu . Проверено 4 декабря 2018 г.
  14. ^ «АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К ЖАРКИМ И СУХИМ УСЛОВИЯМ (Ксерические адаптации)» (PDF) .
  15. ^ "ЭСТАФЕТА". www.yuiev.com.ua . Проверено 4 декабря 2018 г.
  16. ^ abc Чендлер, Стивен Ф.; Санчес, Кори (октябрь 2012 г.). «Генетическая модификация; создание трансгенных сортов декоративных растений». Журнал биотехнологии растений . 10 (8): 891–903. дои : 10.1111/j.1467-7652.2012.00693.x . ISSN  1467-7652. ПМИД  22537268.
  17. ^ «CGIAR: Наука для решения величайших задач человечества» . КГМСИ . Проверено 4 декабря 2018 г.
  18. ^ "ХеДВИК". ХЕДВИК . Проверено 25 марта 2019 г.
  19. ^ «Селекта Клемм и биотехнология Менделя создают декоративную бионауку» . www.cabi.org . Проверено 4 декабря 2018 г.